專利名稱：換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于換熱器技術領域，特別涉及一種換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置。
背景技術：
換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量交換的最重要設備之一，在工農業(yè)生產中得到了 普遍的應用。它是一種通過對能量的有效利用以保證產品質量的重要工藝設備。然而，在 生產過程中，生產負荷常常是在一定范圍內不斷變化的，由此決定了傳熱設備的運行工況 必須不斷的調節(jié)，以適應生產負荷的變化。換熱器自動控制系統(tǒng)的作用是在換熱器的工況 發(fā)生擾動的情況下，能經過自動調節(jié)，使目標流體出口溫度最終保持在某一數(shù)值范圍內。
傳統(tǒng)的換熱器控制系統(tǒng)以反饋控制方法為基礎，即以擾動產生的目標參數(shù)變化作 為控制依據(jù)。這種控制方法對于換熱設備這種具有大的容量滯后和純滯后的對象來說，常 常造成控制作用滯后、超調量大等問題，很難達到較高的控制品質。因此，尋求一種與擾動 作用同步的調節(jié)量給出的控制算法是保證換熱器控制及時、準確的核心問題?；诖?，前饋 控制方法被應用于換熱器控制，然而，由于采用傳遞函數(shù)或者能量平衡關系作為前饋算法 過程中，忽略了對溫度和流量敏感參數(shù)(包括流體物性、換熱系數(shù))的變化，使得控制精度 無法得到滿足。 基于以輔助流體流量為操縱量的精確數(shù)學控制方法已經表明，將換熱器精確數(shù)學 模型引入到前饋控制算法能夠得到極高的控制品質。然而，這種方法無法直接應用于采用 旁通控制的換熱器系統(tǒng)上，而且在精確數(shù)學模型引入前饋算法過程中，二者存在本質的不 同，即前者算法核心為換熱器的反問題算法，而旁通控制的核心則是換熱器的正問題計算 算法，其難點則更多地集中于對溫度和流量敏感參數(shù)的修正以及快速準確的分流比例優(yōu)化 算法兩個方面。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)的反饋控制容易引起調節(jié)滯后，以及換熱器的傳統(tǒng)前饋控制不能
兼顧控制精度的缺點，通過將換熱器精確數(shù)學模型引入到旁通前饋控制器，提供一種具有
快速響應、高精度的換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案， —種換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置，包括 換熱器、所述換熱器入口連接有目標流體入口管路和輔助流體入口管路，所述換 熱器出口處連接有目標流體出口管路和輔助流體出口管路，所述目標流體出口管路上連接 有三通電動調節(jié)閥，所述目標流體入口管路和三通電動調節(jié)閥一輸入端之間連接有一旁通 管路，所述目標流體入口管路、輔助流體入口管路、三通電動調節(jié)閥入口處的目標流體出口 管路、輔助流體出口管路、三通電動調節(jié)閥出口處的目標流體出口管路上分別連接有第一 溫度探測器、第二溫度探測器、第三溫度探測器、第四溫度探測器、第五溫度探測器，所述旁 通管路、目標流體入口管路和輔助流體入口管路上分別連接有第一流量探測器、第二流量探測器、第三流量探測器，所述第一溫度探測器、第二溫度探測器、第三溫度探測器、第四溫
度探測器、第五溫度探測器、第一流量探測器、第二流量探測器、第三流量探測器及所述三
通電動調節(jié)閥的控制端與一控制計算機相連接，所述控制計算機根據(jù)設定的目標流體出口
溫度和探測的溫度和流量信息計算并控制所述三通電動調節(jié)閥的旁通調節(jié)比例。 進一步地，在所述第一溫度探測器、第二溫度探測器、第三溫度探測器、第四溫度
探測器、第五溫度探測器、第一流量探測器、第二流量探測器、第三流量探測器與所述控制
計算機之間還依次連接有模擬多路開關和A/D轉換器。 進一步地，所述控制計算機與所述模擬多路開關相連接。 進一步地，在所述三通電動調節(jié)閥的控制端與所述控制計算機之間還連接有D/A 轉換器。 進一步地，所述旁通調節(jié)比例x( t )為x(r) = +，'°,°"，'°,°"、)。 本發(fā)明在已知換熱器進口參數(shù)及其變化情況下，通過計算迅速求出旁路調節(jié)比例 的換熱器的正問題計算算法，計算模型是換熱器的精確動態(tài)數(shù)學模型，而不是傳遞函數(shù)。在 算法中選取以集總參數(shù)模型為基礎模型，考慮換熱器的換熱系數(shù)、物性參數(shù)都隨著流體參 數(shù)溫度和流量的變化而變化。在目標流體增設旁通通道，在換熱器的出口處通過三通電動 調節(jié)閥與目標流體混合，流量和溫度探測點設置在目標流體和輔助流體的入口處，使得流 量和溫度的擾動一旦出現(xiàn)、在未對出口參數(shù)產生影響之前即被探測到，通過調節(jié)調節(jié)閥的 開度實現(xiàn)分流比例的迅速調整，從而實現(xiàn)其出口溫度的恒定或者按照工藝規(guī)定變化，達到 目標流體出口參數(shù)控制的目的。本發(fā)明能夠實現(xiàn)換熱器的高精度、無滯后的控制，實現(xiàn)改善 工藝參數(shù)水平、提高產品質量的目的，可廣泛應用于各種形式的換熱器及其網(wǎng)絡的流體出 口參數(shù)的控制中。



E
1本發(fā)明換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置實施例結構示意圖
2流體流量發(fā)生階躍變化效果圖； 3為傳統(tǒng)反饋控制效果圖； 4為本發(fā)明旁通精確數(shù)學控制效果圖。 號說明
12第二溫度探測器
13、 第三溫度探測器
14、 第四溫度探測器 15第五溫度探測器
標
1 換熱器
2 模擬多路開關
3 A/D轉換器
4 D/A轉換器
5 控制計算機 16
6 設定器 17
7 目標流體入口管路 18
8 輔助流體入口管路 19
9 換熱器入口處 20
10 換熱器出口處 21
三通電動調節(jié)閥
第一流量探測器
第二流量探測器
第三流量探測器
目標流體出口管路
輔助流體出口管路
11、第一溫度探測器
具體實施例方式
如圖1所示， 一種換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置，包括換熱器1、所述換熱器1入口 處9連接有目標流體入口管路7和輔助流體入口管路8，所述換熱器1出口處10連接有目 標流體出口管路20和輔助流體出口管路21，所述目標流體出口管路20上連接有三通電動 調節(jié)閥16，所述目標流體入口管路7和三通電動調節(jié)閥16 —輸入端之間連接有一旁通管路 22，所述目標流體入口管路7、輔助流體入口管路8、三通電動調節(jié)閥16入口處的目標流體 出口管路20、輔助流體出口管路21、三通電動調節(jié)閥16出口處的目標流體出口管路20上 分別連接有第一溫度探測器11、第二溫度探測器12、第三溫度探測器13、第四溫度探測器 14、第五溫度探測器15，所述旁通管路22、目標流體入口管路7和輔助流體入口管路8上分 別連接有第一流量探測器17、第二流量探測器18、第三流量探測器19，所述第一溫度探測 器11、第二溫度探測器12、第三溫度探測器13、第四溫度探測器14、第五溫度探測器15、第 一流量探測器17、第二流量探測器18、第三流量探測器19及所述三通電動調節(jié)閥16的控 制端與一控制計算機5相連接，所述控制計算機5根據(jù)設定的目標流體出口溫度和探測的 溫度和流量信息計算并控制所述三通電動調節(jié)閥16的旁通調節(jié)比例。
本發(fā)明通過調節(jié)三通電動調節(jié)閥16的開度，從而改變干路流體與旁通流體之間 的調節(jié)比例，實現(xiàn)對目標流體的控制。整個控制過程為前側的第一溫度探測器11、第二溫 度探測器12和第二流量探測器18、第三流量探測器19探測到擾動大小和形式，送入控制計 算機5，控制計算機5利用內置精確數(shù)學控制算法的計算獲得分流比例并輸出控制信號控 制三通電動調節(jié)閥16的調節(jié)分流比例，實現(xiàn)目標流體出口溫度的控制。
其中，所述溫度探測器和流量探測器即可采用模擬的也可以采用數(shù)字的，本實施 例中采用模擬的溫度探測器和流量探測器。在所述第一溫度探測器11、第二溫度探測器 12、第三溫度探測器13、第四溫度探測器14、第五溫度探測器15、第一流量探測器17、第二 流量探測器18、第三流量探測器19與所述控制計算機5之間還依次連接有模擬多路開關2 和A/D轉換器3。所述模擬多路開關2用于溫度探測器和流量探測器的開與關。所述A/D 轉換器3用于將溫度探測器和流量探測器輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號。
其中，所述控制計算機5與所述模擬多路開關2相連接，所述控制計算機5通過該 連接控制所述模擬多路開關2的開與關。 其中，在所述三通電動調節(jié)閥16的控制端與所述控制計算機5之間還連接有D/A 轉換器4，用于將所述控制計算機5輸出的數(shù)字信號轉換為模擬信號，以控制所述三通電動 調節(jié)閥16的旁通調節(jié)比例。 其中，還包括與所述控制計算機5相連接的設定器6。 其中，所述換熱器1可以是管殼式，板翅式等各種類型的換熱器。 其中，溫度探測器可采用熱電偶、熱電阻等類型的探測器，用于檢測換熱器進出口
的溫度，流量探測器可采用差壓流量變送器等類型的探測器，用于換熱器各股流體流量的檢測。 其中，所述控制計算機5可采用PLC控制器、單片機、微型計算機等，其作為精確數(shù) 學控制器的核心，完成所有的計算、輸入輸出、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理等功能。
其中，所述多路模擬開關2和A/D轉換器3接受所述控制計算機5的控制，實現(xiàn)對 換熱器1入口和出口的溫度和流量等參數(shù)的巡回檢測，并轉換為數(shù)據(jù)供所述控制計算機5
'、.-處理。 其中，所述D/A轉換器4用于提供三通電動調節(jié)閥16這一輔助流體執(zhí)行機構的f 號，實現(xiàn)對旁通流體流量的調節(jié)。 其中，所述設定器6用于設置輸入采樣一次元件形式以及標準參數(shù)(例如熱電偶
或熱電阻，以及熱電偶種類等)、輸出信號的形式以及量程范圍等。 其中，所述三通電動調節(jié)閥16用于實現(xiàn)對換熱器流體的分流旁通調節(jié)。 本發(fā)明通過探測入口處目標流體和輔助流體的流量和溫度，當流量和溫度一旦出
現(xiàn)的擾動，并且在其還未對出口參數(shù)產生影響之前，及時地將其傳遞到所述控制計算機5，
所述控制計算機5及時地通過三通電動調節(jié)閥16給出克服該擾動的控制作用，使得分流比
例迅速得到調整，保證目標流體出口參數(shù)控制的目的。 本實施例中，所述控制計算機5對旁通調節(jié)比例的計算方法，即旁通精確數(shù)學控 制前饋算法如下 該算法的核心是換熱器1的精確動態(tài)數(shù)學模型，而不是傳遞函數(shù)，以保證了任意 工況下算法的精度，從而保證控制的高精度。選取以集總參數(shù)模型為基礎模型，考慮換熱器 的換熱系數(shù)、物性參數(shù)都隨著流體參數(shù)溫度和流量的變化而變化，即 — t)0co (r) - ,d ) = Mcc(r)- (1 — x(r)X 0)—、。(")—辟)A,^ = M,(r):
《
(1)
質量流
thiCMX ( t ) +th0 (t) Ch0 ( t ) (1-X ( t ) ) = th0Ch0
式中，t是流體的溫度，A為換熱面積，h( t )是傳熱系數(shù)，C是流體比熱，A是流體 ，M是通道內流體質量，x(O為旁路調節(jié)分流比例，取值為0 l之間，t為時 間，下標c和h分別表示冷、熱流體，i代表流體進口 、 o代表流體出口 。
根據(jù)迭代計算可以求出每個時刻，保證目標流體出口溫度不變所需要的旁通流體 調節(jié)量的值百分比，即式(1)中的x(t)。首先，通過旁通調節(jié)控制使得換熱器流體與旁路 的流體在出口處經過混合后滿足以下能量平衡關系
th。ch。 = Xthichi+ (1—x) th。 ( t ) ch。 ( t ) (2) 式中，t是流體的溫度，C是流體比熱，x為旁路調節(jié)分流比例，取值為0 1之間， t為時間，下標c和h分別表示冷、熱流體，i代表流體進口 、 o代表流體出口 。
在動態(tài)控制過程中，要求在每個時間內必須滿足下式 thocho = x ( t ) thichi+ (1-x ( t )) th0 ( t ) cho ( t; ) (3)
式中，t是流體的溫度，C是流體比熱，)為旁路調節(jié)分流比例，取值為0 1 為時間，下標c和h分別表示冷、熱流體，i代表流體進口 、 o代表流體出口 。 據(jù)此，為了保證目標流體出口溫度不變的旁通調節(jié)比例X(t)即為
之間，
x(r)=
(4) 式中，x( O為t時刻的目標流體分流比例，thi目標流體的進口溫度，chi目標流
體的進口處的比熱，th。")未合流前換熱器目標流體出口溫度，Ch。(t)未合流前換熱器目標流體出口處比熱，th。合流后換熱器目標流體出口溫度，即目標溫度，Ch。合流后換熱器目 標流體出口處比熱，即目標溫度所對應的流體的比熱。 通過上述旁通精確數(shù)學控制前饋算法，對于任一擾動情況，都能在0.5秒時間內 計算獲得分流比例x( t )，及時地出克服該擾動，實現(xiàn)了對目標流體出口溫度的高精度、無 滯后控制作用。 以下為本發(fā)明的控制方法與傳統(tǒng)的反饋控制方法對某一工況下的控制效果的比 較。 換熱器的初始工況參數(shù)如下表一所示
表一初始穩(wěn)態(tài)工況
流量(kg/s)入口溫度rc)出口溫度rc)
目標流體0.08518.011.8
輔助流體0.098.013.6 擾動形式在0秒時目標流體入口流量出現(xiàn)負擾動，從0. 085kg/s降低到 0.065kg/s，如圖2所示。圖3、圖4分別為本發(fā)明與傳統(tǒng)控制方法的效果圖。其與傳統(tǒng)控制 方法的控制效果比較如下表二所示
表二控制效果比較
控制方式控制過程最大偏差rc) 過渡時間(s)
旁通精確數(shù)學控制0.15 —
反饋控制0,37 68 大量實驗表明，本發(fā)明能夠得到了較好的控制結果，能在很短的時間內將入口參
數(shù)變化引起的出口溫度的波動調節(jié)回原值。其最大偏差也只有o. 15t:，遠小于反饋控制的
過渡時間和最大偏差。
權利要求
一種換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置，其特征在于包括換熱器(1)、所述換熱器(1)入口(9)連接有目標流體入口管路(7)和輔助流體入口管路(8)，所述換熱器(1)出口處(10)連接有目標流體出口管路(20)和輔助流體出口管路(21)，所述目標流體出口管路(20)上連接有三通電動調節(jié)閥(16)，所述目標流體入口管路(7)和三通電動調節(jié)閥(16)一輸入端之間連接有一旁通管路(22)，所述目標流體入口管路(7)、輔助流體入口管路(8)、三通電動調節(jié)閥(16)入口處的目標流體出口管路(20)、輔助流體出口管路(21)、三通電動調節(jié)閥(16)出口處的目標流體出口管路(20)上分別連接有第一溫度探測器(11)、第二溫度探測器(12)、第三溫度探測器(13)、第四溫度探測器(14)、第五溫度探測器(15)，所述旁通管路(22)、目標流體入口管路(7)和輔助流體入口管路(8)上分別連接有第一流量探測器(17)、第二流量探測器(18)、第三流量探測器(19)，所述第一溫度探測器(11)、第二溫度探測器(12)、第三溫度探測器(13)、第四溫度探測器(14)、第五溫度探測器(15)、第一流量探測器(17)、第二流量探測器(18)、第三流量探測器(19)及所述三通電動調節(jié)閥(16)的控制端與一控制計算機(5)相連接，所述控制計算機(5)根據(jù)設定的目標流體出口溫度和探測的溫度和流量信息計算并控制所述三通電動調節(jié)閥(16)的旁通調節(jié)比例。
2. 根據(jù)權利要求1所述的換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置，其特征在于 在所述第一溫度探測器(11)、第二溫度探測器(12)、第三溫度探測器(13)、第四溫度探測器(14)、第五溫度探測器(15)、第一流量探測器(17)、第二流量探測器(18)、第三流 量探測器(19)與所述控制計算機(5)之間還依次連接有模擬多路開關(2)和A/D轉換器 (3)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置，其特征在于 所述控制計算機(5)與所述模擬多路開關(2)相連接。
4. 根據(jù)權利要求1至3中任一權利要求所述的換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置，其特征 在于在所述三通電動調節(jié)閥(16)的控制端與所述控制計算機(5)之間還連接有D/A轉換 器(4)。
5. 根據(jù)權利要求4所述的換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置，其特征在于 所述旁通調節(jié)比例x")為= +，，、)"'°"，其中，x(t)為t時刻的目標流體分流比例，thi目標流體的進口溫度，Chi目標流體的進口處的比熱，th。")未合流 前換熱器目標流體出口溫度，ch。 ( O未合流前換熱器目標流體出口處比熱，th。合流后換熱 器目標流體出口溫度，ch。合流后換熱器目標流體出口處比熱。
全文摘要
換熱器旁通精確數(shù)學控制裝置，包括換熱器、所述換熱器入口連接有目標流體入口管路和輔助流體入口管路，所述換熱器出口處連接有目標流體出口管路和輔助流體出口管路，所述目標流體出口管路上連接有三通電動調節(jié)閥，所述目標流體入口管路和三通電動調節(jié)閥一輸入端之間連接有一旁通管路，及相連接的溫度探測器、流量探測器、控制計算機。所述控制計算機根據(jù)設定的目標流體出口溫度和探測的溫度和流量信息計算并控制所述三通電動調節(jié)閥的旁通調節(jié)比例。本發(fā)明能夠實現(xiàn)換熱器的高精度、無滯后的控制，實現(xiàn)改善工藝參數(shù)水平、提高產品質量的目的，可廣泛應用于各種形式的換熱器及其網(wǎng)絡的流體出口參數(shù)的控制中。
文檔編號F28F27/00GK101706229SQ20091019926
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權日2009年11月24日
發(fā)明者倪錦, 崔國民, 李瑜, 王金陽, 胡向柏, 郭春雨 申請人:上海理工大學